DE19618148A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Digitalisierung von hochfrequenten Bandpaßsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungs­ anordnung nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 7.

Die Erfindung findet Verwendung in digitalen HF-Empfän­ gern, z. B. beim Mobilfunk. In modernen HF-Nachrichtenemp­ fängern wird die Signal-Demodulation in zunehmendem Maße durch digitale Signalverarbeitung realisiert. Neben den allgemein bekannten Vorteilen der Digitaltechnik ist hier­ bei die Möglichkeit verschiedene Modulationsarten und Zu­ griffsverfahren durch Software-Operationen zu implementie­ ren besonders wichtig. Es besteht der Trend die Schnittstelle zwischen analogem HF-Teil und digitaler Signalverarbeitung zu immer höheren Frequenzen zu verschieben. Die Kanalselektion bei der digitalen Si­ gnalverarbeitung wird hierbei teilweise durch digitale Filter realisiert. Dadurch können die Anforderungen an die bislang notwendigen, aufwendigen analogen Filter reduziert werden.

Der Nachrichtenkanal wird durch die Trägerfrequenz f_o und die Modulationsbandbreite B beschrieben (Fig. 1).

Für Frequenzen in HF-Bereich gilt normalerweise für das Verhältnis von Trägerfrequenz f_o und Modulationsbandbreite B f_o/B » 1.

Bei einer direkten Digitalisierung des HF-Signals muß ent­ sprechend dem Nyquist Theorem eine Abtastrate f_s 2 f_o gewählt werden. Dies stellt hohe Anforderungen an die Ge­ schwindigkeit des Analog/Digital-Wandlers (ADC). Es werden sehr schnelle ADC benötigt, was zu hohen Kosten führt und zu Problemen bei der Leistungsaufnahme.

Im Falle eine bandpaßbegrenzten Abtastung (Unterabtastung) wird die Abtastrate f_s 2B gewählt. Dies stellt wiederum sehr hohe Forderungen an die relative Bandbreite des ana­ logen Anti-Aliasing-Filters.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren und eine Schaltungsanordnung zur Digitalisierung von Bandpaßsignalen anzugeben, wobei die Anforderungen an die Dynamik der ADC′s und die Anstiegsgeschwindigkeit der S/H-Schaltungen wesentlich reduziert werden, so daß ko­ stengünstige Bandpaß-ADC′s herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merk­ malen der Patentansprüche 1 und 7 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß zwischen der Abtastung (Bildung von zeitdiskreten Werten) und der Digitalisierung (Bildung von amplitudendiskreten Werten) des Bandpaßsi­ gnals eine Mittelwertbildung der Abtastwerte durchgeführt wird. Der Prozeß der Mittelwertbildung in den Tiefpässen (TP) hat den vorteilhaften Effekt, daß die Anforderungen an die Dynamik (= Spanne zwischen dem kleinsten und größten auswertbaren Signal) der ADC′s reduziert werden. Signale von Nachbarkanälen und anderen Funkdiensten können wesentlich stärker sein als das bei der Signalmittenfre­ quenz f_o zentrierte Nutzsignal. Durch die Mittelwertbil­ dung werden diese Störsignale sehr stark unterdrückt.

Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung hat weiterhin den Vorteil, daß die Anstiegsgeschwindigkeit der S/H-Schaltung lediglich an die niedrige Bandbreite B angepaßt werden muß, was eine deutliche Reduzierung der Anstiegsgeschwin­ digkeit bewirkt. Außerdem ist vorteilhaft, daß durch die niedrige Anstiegsgeschwindigkeit ein großer Haltekondensa­ tor in den S/H-Schaltungen verwendet werden kann mit einem entsprechend niedrigen Haltedrift (droop).

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen beschrieben unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.

In einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein HF-Signal mit z. B. der Trägerfrequenz f_o und der Modulationsbandbreite B derart verarbeitet, daß die Periode 1/f_o der Trägerfre­ quenz N mal z. B. N=4 abgetastet wird (Fig. 2a). Zur Signalrekonstruktion muß laut dem Nyquist Theorem N 2 sein.

Zur Abtastung werden N = 4 parallele Abtast/Halte-Schal­ tungen (Sample/Hold = S/H) eingesetzt (Fig. 2b).

Diese S/H-Schaltungen werden mit N Taktsignalen, z. B. für N=4 mit 4 Taktsignalen Φ₁. . .Φ₄ angesteuert, die eine Phasenverschiebung von 2π/_N zwischen benachbarten Taktsi­ gnalen aufweisen. Die Taktsignale werden z. B. von einem digital gesteuerten Oszillator generiert. Die Signalmit­ tenfrequenz f_o wird durch diese Taktsignale bestimmt. Die Amplituden der einzelnen Abtastwerte variieren dabei rela­ tiv langsam mit einer Geschwindigkeit entsprechend der Signalbandbreite B.

An den Ausgängen der 4 S/H-Schaltungen sind Tiefpaß- (TP)-Filter (Integratoren) mit der Grenzfrequenz f_g ≈ B ange­ ordnet. Die in den S/H-Schaltungen ermittelten Abtastwerte werden auf die TP′s gegeben und dort werden die Abtast­ werte gemittelt. Die gemittelten Abtastwerte mit der ge­ ringeren Frequenz f_g ≈ B werden anschließend durch z. B. N = 4 ADC mit einer Quantisierungsrate f_Q 2B digitali­ siert, d. h. die notwendige Geschwindigkeit der Ana­ log/Digital-Wandler wird durch die zwischen Abtastung und Digitalisierung durchgeführte Mittelwertbildung der Ab­ tastwerte deutlich reduziert.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Verwendung von N ADC durch den Einsatz eines N × 1 Multiplexers, der mit einem ADC kombiniert wird, ersetzt (Fig. 3). Der Mul­ tiplexer ist in Fig. 3 durch einen rotierenden mechani­ schen Schalter symbolisch dargestellt. Der Schalter wird mit einer Rate R = NB, z. B. N = 4, weitergeschaltet. Der ADC muß dann eine Quantisierungsrate f_Q 2NB = 8B aufwei­ sen.

Kombinationen von Multiplexer und ADC sind als monolithi­ sch integrierte Schaltkreise erhältlich (z. B. Analog Devi­ ces AD 7777, 4 × 380 kHz).

Mit der Schaltung gemäß Fig. 3 ergibt sich eine Verringe­ rung der Quantisierungsrate im Vergleich zur direkten Di­ gitalisierung um den Faktor V = f_o/ NB. Für einen Mobil­ funkempfänger nach dem DCS 1800 Standard (f_o = 1800 MHz, B = 200 KHz) bedeutet dies z. B. für N = 4: V = 2250.

Damit werden die Geschwindigkeitsanforderungen an den ADC ganz entscheidend reduziert.

Das Tiefpaßfilter (Integrator) kann mit der S/H-Schaltung als eine monolithisch integrierte Schaltung hergestellt werden.

Tiefpaßfilter sind auch in der Switched-Capacitor Techno­ logie monolithisch einfach zu realisieren und können in ihrer Grenzfrequenz variabel eingestellt werden.

Als Eingangssignal der Schaltungsanordnung kann auch ein Signal in einer Zwischenfrequenzebene verwendet werden, das durch einmalige analoge Abwärtsmischung aus dem Anten­ nensignal erhalten wurde.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch auf das Prinzip der bandpaßbegrenzten Abtastung anwenden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Digitalisierung von hochfrequenten Band­ paßsignalen, dadurch gekennzeichnet.

• - daß die Periode 1/f_o der Frequenz f_o eines Band­ paßsignals der Modulationsbreite B N-mal abgeta­ stet wird,
• - daß die Amplituden der Abtastwerte auf N Tiefpaß­ filter mit der Grenzfrequenz f_g ≈ B gegeben werden und in jedem Tiefpaßfilter ein mittlerer Abtast­ wert der Amplitude ermittelt wird, und
• - daß die N gemittelten Abtastwerte der Amplituden in Analog/Digital-Wandlern digitalisiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung des Bandpaßsignals in N parallelen geschal­ teten Abtast/Halte-Schaltungen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast/Halte-Schaltungen mit N Taktsignalen Φ₁. . .Φ_N angesteuert werden, die eine Phasenverschie­ bung von 2π/N zwischen benachbarten Taktsignalen aufwei­ sen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die gemittelten N Amplituden-Ab­ tastwerte des Bandpaßsignals durch N Analog/Digital-Wand­ ler mit einer Quantisierungsrate f_Q 2B digitalisiert werden.

5. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die gemittelten N Amplituden-Abtastwerte des Bandpaßsignals auf einen N × 1 Multiplexer gegeben werden, der mit einer Schaltrate R = NB geschaltet wird, und
• - daß der Multiplexer mit einem Analog/Digital-Wand­ ler kombiniert wird und die gemittelten N Amplitu­ den-Abtastwerte mit einer Quantisierungsrate f_Q 2 NB digitalisiert werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Bandpaßsignal ein Signal mit der Trägerfrequenz f_o oder aus der Zwischenfrequenz-Ebene verarbeitet wird oder das Prinzip des Bandpaß begrenzten Abtastens durchgeführt wird.

7. Schaltungsanordnung zur Digitalisierung von hochfre­ quenten Bandpaßsignalen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen N Abtast/Halte-Schaltungen die parallel ange­ ordnet sind und nachgeschaltete Analog/Digital-Wandlern N Tiefpaßfilter zwischengeschaltet sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß N Analog/Digital-Wandler nachgeschaltet sind.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß lediglich ein Analog/Digital-Wandler nachge­ schaltet ist, der über einen N × 1 Multiplexer geschaltet ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abtast/Halte-Schaltungen und die Tief­ pässe monolithisch integriert sind.